CN110301017B - 具有优化的使用性能和改进的过热保护的电绕组体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过用填充有相变材料的热塑性材料浸渍而具有改进的使用性能的电绕组体。这些使用性能涉及通过利用在从聚合物单元的半结晶态转变到非晶态时的显热和潜热储存性能而改进的散热、振动阻尼、线匝的固定和改进的过热保护。

Description

具有优化的使用性能和改进的过热保护的电绕组体
技术领域
本发明涉及通过用填充有相变材料的热塑性材料浸渍而具有改进的使用性能的电绕组体。这些使用性能涉及通过利用在从聚合物单元的半结晶态转变到非晶态时的显热和潜热储存性能而改进的散热、振动阻尼、线匝的固定和改进的过热保护。
背景技术
电绕组体包含围绕芯缠绕的线匝，通常是绝缘铜线。电绕组体包括线匝形式的任何种类的线圈和适用于产生或检测磁场的缠绕物品。这些绕组体用于电气设备，如电气机器的变压器、转换器、转子和定子。已知的是(DE19928323)，绕组体中加工的受到较高应力的线匝可用合成树脂浸渍以通过使功率损耗最小化而改进效率。其背后的理念是，用合成树脂置换线匝之间的空气填充的空腔。该合成树脂具有比空气高的热导率，意味着其可更好地消散在使用中生成的热。此外，该合成树脂也具有比空气高的密度并因此可更好地补偿不平衡和减轻振动。该浸渍用于提高绝缘强度并另外也用于固定线匝，改进从绕组体中排热，并防腐蚀。使用热固性材料填充线匝之间的空腔，因为这些在液态下具有很好的流动性并因此可更容易渗透到空腔中并且更热稳定。热固性材料的缺点在于，这些必须在额外操作步骤中固化并且向固相的相转变是不可逆的，且该材料在固化后非常脆。如果存在热过载，则这些材料无法补偿或吸收这种过载并被破坏。在总是仅短暂，即在几秒直至几分钟(<10min)的范围内，但为此以或多或少地大的间隔重复运行的电绕组体的情况下，可时常发生这样的热过载。对于这样的绕组体，经常不会设想通过适应性调节电流强度进行温度调控或者说这是不可行的。
US20130264896描述了由定子构成的铸造体，所述定子由在铁芯上的磁性线圈构成，其被包含热固性树脂和与其不相容的热塑性树脂并含有无机添加剂(金属水合物)并满足≥1.5W/m.K的热导率和符合UL94 V-0的阻燃性的注射树脂封装。金属水合物的量为≥铸造树脂的2份。铸造电机包含这种铸造体。解决的问题在于发现同时提供低收缩、高热导率和阻燃性的、作为绝缘体的塑料。该注射树脂形成定子的一种外壳；制造方式和组成不允许该注射树脂排挤线匝之间的所有空气；实现改进的热管理和振动稳定性，但需要大量注射树脂并且这种绕组封装仅适用于定子。此外，这一专利中的解决方案为线圈的持续负载设计，以借助向表面释放热的高热导率的塑料外壳连续散热。
发明内容
本发明所基于的一个目的是提供用于电气机器的变压器、转换器、转子和定子的绕组体，其具有改进的总热容量、减少热点的出现并可在发生热过载时具有平衡效应。本发明应该在短期负载(短期操作)的情况下有效，其应在使用很少材料的情况下捕获热峰。此外，本发明应该在定子和转子两者用的绕组的情况下都可使用。
根据本发明如下实现这一目的：用少量热塑性塑料材料(Kunststoffmaterial)(也称为复合材料或配混物)填充线匝之间的所有空腔，所述热塑性塑料材料包含热塑性弹性体(TPE)的网络和分布在其中的相变材料(PCM)。该热塑性弹性体应该具有低软化点，熔体的破裂点应该是在高于180℃的该绕组体的临界使用温度的温度。该热塑性弹性体一般具有小于0℃的玻璃化转变温度Tg，但没有固定熔点。该TPE优选由苯乙烯嵌段共聚物(TPE-S)构成，其特征在于PCM物理结合在其聚合物网络结构中。该TPE-S选自苯乙烯嵌段共聚物，如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEPS)、苯乙烯-乙烯-乙烯-丙烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEEPS)和甲基丁二烯-苯乙烯(MBS)，可例如以品名
Figure BDA0002167595760000021
(Kraton Polymers)、
Figure BDA0002167595760000022
(Kuraray)、
Figure BDA0002167595760000031
(BASF)、
Figure BDA0002167595760000032
(Kraiburg TPE)或
Figure BDA0002167595760000033
(PCW)购得。特别合适的TPE-S是具有低玻璃化转变温度和在高于100℃的温度下具有很好流动性(低粘度)的那些。有利的是，该TPE-PCM配混物具有很好流动性，优选至少15g/10min(190℃/2.16kg，根据ISO 1133-1测得)，更优选至少20g/10min(190℃/2.16kg，根据ISO 1133-1测得)的熔体流动指数。在随后的配混物中的TPE-S的质量不应低于10重量％，优选其为15重量％至25重量％。
主要通过将热塑性材料“吸”入这些空腔所借助的毛细力的作用实现从线匝之间的空腔中排挤空气。为了使热塑性塑料材料可挤进直到绕组的最内部中并且没有在任何地方留下空腔(在该空腔中随后可能发生局部放电)，不仅加热该热塑性塑料物料，还将绕组材料预热到明显高于根据DIN EN ISO 75-1、-2、-3的TPE-PCM配混物的耐热变形温度的温度，通常预热到在100至150℃之间的温度。如果没有这样的预热，则在绕组材料中过早发生硬化过程，并且已硬化的PCM配混物会阻碍另外的PCM配混物的渗透。可以通过将绕组材料置于炉中或施加电流来实现这种加热。后一方法的优点在于，也可在浸渍过程中保持能量供应。毛细力与粘附力一起同时还导致该材料在软化时不立即再次排出和“渗出”，因为TPE-PCM配混物在100℃以上的该绕组体的工作温度下始终为自由流动形式。
使用填充有相变材料的配混物作为填充材料另外具有的优点在于，在使用中，在施加电流后，相变材料从固相转化成液相并在此同时发生体积膨胀。这解释了热调节效应在首次使用后进一步改进的观察结果，因为由于体积的增加从线匝之间的空腔中排挤出更多空气。
填充电绕组体的线匝之间的空腔的方法可涉及在浸渍装置中借助加热板加热热塑性材料，例如加热到170℃的加工温度。为了实现均匀物料，搅拌该热塑性材料。绕组体在炉中预热30分钟之久到例如120℃。在热塑性材料的熔体的温度匹配浸渍工具的温度后，将预热的绕组体垂直压入浸渍装置中并在最小化的力支出下，完全填充绕组体的空隙体积。此后，从浸渍装置中取出该绕组体并冷却到室温。在从浸渍浴中取出后，未渗透到线匝中的TPE-PCM配混物物料滴落。如果需要，根据绕组体而定，除去线匝外的过量热塑性材料。此后该经浸渍的绕组体在炉中，例如在预热的炉中在120℃下热处理2小时。在这一步骤中，过量TPE-PCM配混物材料也仍可滴落。热处理导致铜线匝被聚合物填充材料形状配合地覆盖。此后将该绕组体再次冷却到室温。
也可通过用加热的TPE-PCM配混物喷涂或涂抹预热的绕组体而施加TPE-PCM配混物。在此观察到，例如，在涂抹和随后热处理后，在线匝表面上不再可看到任何TPE-PCM配混物，意味着在这些点已通过毛细力吸入所述物料。仅在毛细力不起作用的表面处的另外的空腔或凹槽处仍存在有少量TPE-PCM配混物。由此方式，只需要很少量的填充材料以避免在发生短期负载时的热峰。
由此方式，绕组材料的这种类型的热调节也可用于转子绕组，但这种情况下薄的附加外保护层(密封材料)是必要的，其在使用期间将热塑性填充材料保持在转子内。这可以是由PE、PP、PA、PMMA、PS、PVC构成的保护层，其具有100至500μm的厚度，借助流延、浸渍、喷涂或注射成型施加。
另一实施方案是使用喷涂或传送装置，例如热胶枪，用于填充空隙体积。借助机械压力/液压/气动压力，将熔融的TPE-PCM配混物喷射到绕组体的空隙体积中或其完全封装绕组体的空隙体积。此后，该经浸渍的绕组体在炉中，例如在预热的炉中，在120℃下热处理2小时。这另外有助于PCM配混物渗透到线匝毛细管中。可用的热塑性材料包括满足关于熔点和流动能力的上述条件并可同时形成用于接合相变材料的网络的所有热塑性塑料。这些优选是热塑性弹性体，尤其是苯乙烯嵌段共聚物(TPE-S)。除相变材料外，还可将最多20重量％的其它添加剂添加到热塑性材料中，如不导电材料或低于逾渗阈值的比例的导电材料，提高热导率的添加剂，提高密度的非磁性材料，在过载，尤其是上漆铜线过载的情况下对防火特性具有正面影响的阻燃剂，影响流动特性的试剂。
这些添加剂在该热塑性塑料物料中的用量比例可在0重量％至20重量％之间。
优选将75重量％至85重量％的相变材料添加到构成相变材料的聚合物网络的热塑性弹性体中，以实现最佳效果。相变材料的相转变(熔融)温度匹配绕组体的使用温度。其不允许选择在太低的水平；在这种情况下，无法利用熔融过程中的热储存效应并且经填充的绕组体的温度演变类似于用无填料的塑料配混物填充绕组的温度曲线。
相对于工作温度而言太低的熔点(<60℃)的后果在于，在线圈的正常负载情况下，甚至已经存在高于PCM的熔融温度的基底温度(Grundtemperatur)(例如在具有42℃的熔融温度的PCM填充的情况下)。因此，潜热储存不再具有任何影响并且只还有显热分量可用于吸收废热。最大工作温度决定PCM熔点的选择。在工作温度不大于80℃的情况下，例如选择具有62℃的熔点的PCM。
合适的相变材料是具有长链烷基的二烷基醚，正烷烃，一元醇或多元醇(例如聚乙二醇)，PE蜡，在每种情况下具有40至140℃，优选80至130℃的熔融温度。“具有长链烷基的二烷基醚”在此是指在这两个烷基中具有总共至少28个碳原子的那些。这些是例如：二-n-肉豆蔻基醚(熔点44℃)、二-n-鲸蜡基醚(熔点54℃)或二-n-硬脂基醚(熔点62℃)，可以品名
Figure BDA0002167595760000051
ether 14、
Figure BDA0002167595760000052
ether 16或
Figure BDA0002167595760000053
ether 18获自Sasol。在聚合物相变材料的情况下，分子量一般为100 000g/mol或更低，优选30 000g/mol或更低。热调节效应一方面取决于填充材料中的PCM的比例，并取决于线匝之间的聚合物填充材料的量。
如果在绕组体的运行过程中发生过热，则该热塑性材料在从半结晶态转变到非晶态时吸收过量的热(既吸收显热又吸收潜热)，并且由于大于0.2W/mK的良好热导率而将其进一步导向冷却单元。潜热储存可避免由过热造成的损伤或延迟其发生。
有利地，本发明的绕组体用于这样的应用，其中这些绕组体总是仅短暂，即在几秒直至几分钟(<10min)的范围内运行，但为此以或多或少地大的间隔重复运行。这些的实例是窗户升降器、电动开门装置、百叶窗的操作装置等。
具体实施方式
实施例
测量方法
通过测量以1秒为时间间隔经2分钟的时间直接登录入换向器中的作为电阻函数的电压降，测定绕组体3的温度。采用Manson HCS-3202实验室电源1向绕组中输入8A的电流。采用C-122数据记录器2，每秒间隔地测量作为温度函数的电压降。电源1、数据记录器2和绕组体3并联在电路中。采用下列方程进行温度的计算:
ρ(T)＝ρ(T0)*(1+α*(T–T0))
其中α是温度系数(α铜＝0.00393 1/K)，T是温度，且T0是这样的任何温度，在该温度下比电阻ρ(T0)是已知的。由于锚固线圈中的放热经历局部波动，相应地对经填充线圈测定温度的平均值。
实施例1无填充
使用具有铜线匝、铜线直径0.5mm、长度15m、没有集成的填充的商业绕组体，通过上文提到的测量方法，测量作为温度函数的电阻变化并计算温度。测量结果显示在附图1，曲线1(无填充)中。这一曲线用于对比目的。
实施例2使用PE
通过浸渍或喷涂方法将来自LyondellBasell公司的自由流动PE(
Figure BDA0002167595760000061
1800S)集成到已预先测定其重量的根据实施例1的线圈上。为此，在填充前将线圈加热到120℃的温度，并在填充后在热室中在140℃下保持30分钟，然后冷却到室温。结果，铜线匝和线匝中的所有空腔被PE以形状配合方式覆盖。通过测量在浸渍或喷涂后的线圈重量，测定已渗透到线圈的线匝中的PE量。该质量为4克。然后通过上述方法测定温度变化。测量结果显示在附图1，曲线2(使用PE)中。
实施例3使用PE和石墨
用20％石墨(SC20O，Kropfmühl公司)填充LyondellBasell公司的PE(
Figure BDA0002167595760000071
1800S)。通过浸渍或喷涂方法和根据实施例2的热处理，将该自由流动PE集成到已预先测定其重量的根据实施例1的线圈上。通过测量在浸渍或喷涂后的线圈重量，测定已渗透到线圈的线匝中的PE量。该质量为4克。然后通过上述方法测量温度变化。测量结果显示在附图1，曲线3(PE+石墨)中。
实施例4使用PCM 82℃
通过浸渍或喷涂方法和根据实施例2热处理，将PCM配混物(OC.82，Smartpolymer公司，熔点82℃，80质量％PCM在TPE-S(Kuraray，
Figure BDA0002167595760000072
4055)网络中)集成到已预先测定其重量的根据实施例1的线圈上。通过测量在这一操作后的线圈重量，测量已渗透到线圈的线匝中的PCM配混物的量。该质量为4克。然后通过上述方法测量温度变化。测量结果显示在附图1，曲线4(使用PCM 82℃)中。
附图1中所示的实验结果的评价:
无填充的曲线1的评价
在120秒的运行时间后，无填充的线圈的温度达到160℃的最大温度。在甚至更高温度的情况下，出现铜线圈的热损伤。
曲线2PE的评价
通过PE从线圈的空隙体积中排挤出空气提高了热导率和热质量。PE用作显热储存器并储存生成的废热；温升衰减。与无填充的绕组相比，直到达到最大温度前可实现长大约30％的运行时间。在相同运行时间下，最大温度可降低大约18％(“使用PE”的曲线)。
曲线3PE+石墨的评价
与空气和无石墨的PE相比，通过PE+石墨从线圈的空隙体积中排挤出空气提高了热质量和热导率，从0.3提高到0.9W/m*K。PE+石墨用作具有提高的热导率的显热储存器，因此更快除去和储存废热；温升衰减。与无填充的绕组相比，在直到达到最大温度前可实现长大约55％的运行时间。在相同运行时间下，最大温度可降低大约22％。
曲线4使用PCM 82℃的评价
通过TPE-S与PCM 82℃的塑料混合物从线圈的空隙体积中排挤出空气(曲线4)提高了热导率和热质量。由于其很好的流动特性，该TPE-PCM配混物在线匝之间最佳渗透，由此提高传热。几乎同时，潜热储存的作用也开始；为此参见作为比较的无填充的曲线轨迹；该绕组在40秒后就已达到80℃，而在用TPE_PCM配混物填充的情况下，直到大约95秒后才达到80℃。因此，这一曲线中的升高在很早期就已经比其它曲线中低。PCM 82℃用作潜热储存器，储存容量高达PE的2-4倍并储存生成的废热；温升衰减。由于在82℃下的相变，生成的废热被用于固液相转变，其中可在小的温度范围内储存多倍量的能量。通过发生相变导致体积膨胀。这有利于PCM匹配绕组体的表面，由此另外使传递阻力最小化并提高传热。与无填充的绕组(曲线1)相比，在直到达到最大温度前可实现长大约75％的运行时间。在相同运行时间下，最大温度可降低大约30％。与使用PE填充的绕组(曲线2)相比，可在直到达到最大温度前实现长大约40％的运行时间。在相同运行时间下，最大温度可降低大约15％。
与PE和石墨填充的绕组(曲线3)相比，可在直到达到最大温度之前实现长大约20％的运行时间。在相同运行时间下，最大温度可降低8％。

Claims (14)

1.电绕组体，其包含围绕芯的导电线匝，其中线匝之间的空腔被热塑性塑料材料以形状配合方式填充，其特征在于所述热塑性塑料材料包含以下a)和b)的混合物，
a)形成网络的热塑性弹性体，其是具有在190℃/2.16kg条件下根据ISO 1133-1测得的至少15g/10min的熔体流动指数的含苯乙烯的嵌段共聚物；和
b)具有在40℃至140℃之间的相变温度的相变材料，其中所述相变材料以50重量％至85重量％的比例存在于所述热塑性塑料材料中。
2.如权利要求1中所述的电绕组体，其特征在于所述含苯乙烯的嵌段共聚物是苯乙烯/丁二烯/苯乙烯(SBS)、SEBS、SEPS、SEEPS或MBS，并以基于所述塑料材料的重量计至少10重量％的比例存在。
3.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述相变材料具有在40℃至140℃之间的熔融温度。
4.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述热塑性塑料材料的破裂温度高于所述电绕组体的临界使用温度。
5.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述相变材料以70重量％至85重量％的比例存在于所述热塑性塑料材料中。
6.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述热塑性塑料材料含有功能添加剂，其提高热导率、提高密度、影响熔体的流动特性和/或充当阻燃剂。
7.如权利要求6中所述的电绕组体，其特征在于所述功能添加剂的比例为基于所述热塑性塑料材料的总重量计的最高至20重量％。
8.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于其被外保护层包围。
9.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于其是如下物质的组成部分：电气机器的变压器，转换器，或者转子或定子，其中这些绕组体在120秒至<10min的范围内，以一定间隔重复运行。
10.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述形成网络的热塑性弹性体具有至少20g/10min的在190℃/2.16kg条件下根据ISO 1133-1测得的熔体流动指数。
11.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述相变材料具有在80至130℃之间的相变温度。
12.如权利要求1或2中所述的电绕组体，其特征在于所述相变材料是醇醚、石蜡或天然或合成蜡。
13.如权利要求8中所述的电绕组体，其特征在于所述外保护层由PE、PP、PA、PMMA、PS或PVC构成。
14.如权利要求8中所述的电绕组体，其特征在于所述外保护层具有100至500μm的厚度。
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